(57)【要約】【課題】炭種の異なる種々の微粉炭や、汚泥、バイオマス燃料等を使用することができ、ＮＯｘの発生量が少なく、安定燃焼が可能であり、コンパクトでエネルギー効率に優れたシステム構成を備えたボイラ装置を提供する。【解決手段】本発明のボイラ装置は、燃料を噴出させて燃焼させ、上部に配設した水管により高温の水蒸気を発生させる火炉と、水蒸気を発生させた後、火炉から排出される高温の燃焼排気ガスを熱源として燃焼用空気を燃料の着火温度以上の温度に加熱する熱交換手段と、燃焼用空気を噴出させる燃焼用空気供給手段と、燃料を噴出させ、火炎を形成させる燃料ノズル手段とを備え、燃焼用空気供給手段から供給される燃焼用空気と燃料ノズル手段から供給される燃料により火炎近傍に還元性雰囲気を形成することを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部の燃焼領域に燃料を噴出させて燃焼させ、上部に配設した水管により高温の水蒸気を発生させる火炉と、
前記水蒸気を発生させた後、火炉から排出される高温の燃焼排気ガスを熱源として燃焼用空気を前記燃料の着火温度以上の温度に加熱する熱交換手段と、
前記加熱された燃焼用空気を前記燃焼領域に噴出させる燃焼用空気供給手段と、
前記燃料を前記燃焼領域に噴出させ、火炎を形成させる燃料ノズル手段と
を備え、
前記燃焼用空気供給手段から供給される燃焼用空気と、前記燃料ノズル手段から供給される燃料により前記火炎近傍に還元性雰囲気を形成することを特徴とするボイラ装置。
【請求項２】
前記燃焼排気ガス中の粉塵を除去して前記熱交換手段に供給する脱塵手段を備えることを特徴とする、請求項１に記載のボイラ装置。
【請求項３】
前記熱交換手段を複数備え、ボイラ装置の負荷又は容量の増減に従って熱交換により高温に加熱される燃焼用空気量を増減することを特徴とする、請求項１又は２のいずれかに記載のボイラ装置。
【請求項４】
前記燃焼用空気供給手段を複数備え、ボイラ装置の負荷又は容量の増減に従って燃焼用空気量を増減することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載のボイラ装置。
【請求項５】
前記燃料ノズル手段を複数備え、ボイラ装置の負荷又は容量の増減に従って燃料噴出量を増減することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載のボイラ装置。
【請求項６】
前記燃焼用空気供給手段は、前記燃料ノズル近傍に配設され燃焼用空気を噴出して、前記火炎近傍に還元性雰囲気を形成する第１の燃焼用空気ノズルを有することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載のボイラ装置。
【請求項７】
前記燃焼用空気供給手段は、第１の燃焼用空気ノズルの前記火炎後流側に配設され燃焼用空気を噴出して、未燃焼の燃料を燃焼させる第２の燃焼用空気ノズルを有することを特徴とする、請求項６に記載のボイラ装置。
【請求項８】
互いに対向する火炉の各壁面に、前記燃料ノズル手段及び燃焼用空気供給手段をそれぞれ配置し、各壁面の燃料ノズル及び燃焼用空気ノズルが互いに対向することを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載のボイラ装置。
【請求項９】
前記燃料ノズル手段及び燃焼用空気供給手段は、前記火炉内の水平な仮想円の接線方向に、前記燃料及び燃焼用空気をそれぞれ噴出させ、前記火炉内に旋回流を発生させつつ前記固体燃料を燃焼させることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載のボイラ装置。
【請求項１０】
前記燃料は微粉炭であり、前記燃焼用空気を８００℃以上に加熱することを特徴とする、請求項１乃至９のいずれかに記載のボイラ装置。
【請求項１１】
前記熱交換手段は、多管式熱交換器であることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれかに記載のボイラ装置。
【請求項１２】
前記熱交換手段は、蓄熱式熱交換器であることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれかに記載のボイラ装置。
【請求項１３】
前記火炉からの燃焼排気ガスを搬送ガスとし、該搬送ガスにより前記固体燃料を前記燃料ノズルに搬送することを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれかに記載のボイラ装置。
【請求項１４】
石炭を微粉炭に粉砕するミル装置を備え、前記火炉からの燃焼排気ガスを雰囲気ガスとし、該燃焼排気ガスをミル装置に供給して微粉炭を製造すると共に、該燃焼排気ガスを搬送ガスとして微粉炭をミル装置から燃料ノズルに搬送することを特徴とする、請求項１乃至１３のいずれかに記載のボイラ装置。
【請求項１５】
前記火炉からの燃焼排気ガス中の灰儘を除去する集塵手段を備えることを特徴とする、請求項１３または１４のいずれかに記載のボイラ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粉炭、汚泥、バイオマス燃料等の固体燃料を燃焼させて高温の水蒸気を得ることができるボイラ装置に関し、特に、低質燃料を含む様々の燃料を燃焼させることが可能で、低負荷時を含めた燃焼排気ガス中のＮＯｘの低減と装置本体のコンパクト化が可能なボイラ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、火力発電所においては、微粉炭を燃料とするボイラが知られているが、そのような微粉炭燃焼ボイラの問題点として、（１）燃料に起因する、所謂フューエルＮＯを中心とするＮＯｘの発生量が多く、（２）揮発性の低い炭種の着火性が悪く安定燃焼が困難なこと、があげられ、さらに、コストダウンの観点からボイラの一層の小型化が望まれていた。
【０００３】
従来技術においては、着火性の確保とフューエルＮＯの減少手段として、着火点近傍の微粉炭濃度を調整して着火性を確保するとともに、燃焼用空気量を調節して着火点近傍を還元性雰囲気にし、フューエルＮの酸化を抑止してフューエルＮＯの発生を抑止することが行われている。例えば、微粉炭を噴出させて燃焼させるバーナの構造により微粉炭流を濃淡流としたり、燃焼用空気を供給するノズルを前述のバーナのノズルと同軸とするとともにその噴出方向を制御して、微粉炭の燃焼火炎近傍の燃焼用空気の流れを調節し着火点近傍を還元性雰囲気に保つことなどである。さらに、着火点近傍では、供給する燃焼用空気を制限して還元雰囲気中で燃焼を行わせるとともに、燃焼の後段側にさらに空気を供給して、着火点近傍の燃焼で燃え残った未燃焼燃料を完全に燃焼させる２段燃焼等も実施されている。
【０００４】
しかし、上記のような従来技術によっては、着火性の改善に限界があるため還元性雰囲気の形成によるＮＯｘ発生の抑制にも限度があり、結局、大型の脱硝装置によるＮＯｘ処理を施さざるを得ないという問題があった。
近年においては、高温空気燃焼技術を微粉炭燃焼に適用して、着火性の向上の向上を図る発明が行われている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−２１５０１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に提案された高温空気燃焼技術を実際のボイラへ適用するためには、以下のような種々の課題がある。
（１）高温空気燃焼技術を適用したボイラ装置は、小型から大型火炉まで、容量の異なる種々の火炉を、統一した技術的思想を適用して容易に設計できるシステム構成であることが望ましい。
（２）揮発性の低い炭種も含めた種々の炭種を燃料として、低負荷から高負荷まで広い作動範囲で低ＮＯｘ、安定燃焼が可能でなければならない。
（３）また、低負荷時の効率向上、特に所内率を低下させるとともに蒸気条件を向上（高温水蒸気量の確保）させる必要がある。
（４）装置のコンパクト化によるコストダウンが必要である。
（５）汚泥やバイオマス等の低質燃料にも適用可能で、安定燃焼が可能であることが望ましい。
【０００６】
以下、上記について詳細に説明する。
ボイラ装置のシステム構成は、個別に設計を大きく変更することなくあらゆる規模のボイラに対応できるべきであることはいうまでもない。
微粉炭は、ボイラ内で加熱されガス化して燃焼するが、かかるガスの発生のしやすさ（揮発性）は炭種により異なり、例えば、炭化度が進み煙の少ない無煙炭の揮発性は低く着火性が極端に悪い。無煙炭を含む種々の炭種を燃料として、低負荷から定格運転までの広い作動範囲で安定して燃焼させることは殆ど不可能である。
【０００７】
前述のように微粉炭燃焼において発生するＮＯｘは、いわゆるフューエルＮＯｘに起因するものが多く、従来の燃焼方法では、サーマルＮＯｘに対して有効な排ガス再循環法等の対策によっても火炉からのフューエルＮＯｘ発生を十分に減少させる事が困難であるので、重油等を燃料とする場合に比較すれば大型の脱硝装置によりこれを除去せざるをえない。
【０００８】
さらに、低負荷での運転時においては、微粉炭の燃焼が不安定になるため、定格出力運転時に比較すれば、同じ量の微粉炭を安定に燃焼させるために必要な空気量が増加し、供給空気量の増加によりバーナ近傍の雰囲気が酸化性雰囲気になり、結果として発生ＮＯｘ量の増加を招いてしまう。加えて、この空気量の増加により、該空気を送風するための排風器動力が増加し（所内率増加）、該空気（燃焼用空気）に保持されたまま大気中へ放出されて無駄になる熱量も増加し、高温水蒸気を効率的に確保することができず、ボイラ効率の低下を招く。このため、低負荷運転時においては、ボイラ装置の総合的なエネルギー効率が低下することになる。
【０００９】
また、環境保全の観点から、加熱により燃焼性のガスを発生する汚泥やバイオマス燃料の利用も求められているが、これらの燃料は一般に含有水分量が多く着火性が悪いため、既存のボイラで燃焼させることは困難である。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、炭種の異なる種々の微粉炭や、汚泥、バイオマス燃料等の低質燃料を使用することができ、低負荷運転を含む広い作動範囲に亘ってＮＯｘの発生量が少なく、安定燃焼が可能であり、総合的なエネルギー効率に優れ、装置全体のコンパクト化も図れ、しかも小型から大型の火炉まで、容量の異なる種々の火炉を、統一した技術的思想を適用して容易に設計できるシステム構成を備えたボイラ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、請求項１の発明によっては、下部の燃焼領域に燃料を噴出させて燃焼させ、上部に配設した水管により高温の水蒸気を発生させる火炉と、前記水蒸気を発生させた後、火炉から排出される高温の燃焼排気ガスを熱源として燃焼用空気を前記燃料の着火温度以上の温度に加熱する熱交換手段と、前記加熱された燃焼用空気を前記燃焼領域に噴出させる燃焼用空気供給手段と、前記燃料を前記燃焼領域に噴出させ、火炎を形成させる燃料ノズル手段とを備え、前記燃焼用空気供給手段から供給される燃焼用空気と、燃料ノズル手段から供給される燃料により前記火炎近傍に還元性雰囲気を形成することを特徴とするボイラ装置が提供される。
【００１１】
前記燃焼排気ガス中の粉塵を除去して前記熱交換手段に供給する脱塵手段を備えていてもよい（請求項２）。
前記熱交換手段（請求項３）、或は前記燃焼用空気供給手段（請求項４）を複数備え、ボイラ装置の負荷や容量の増減に従って燃焼用空気量を増減してもよく、前記燃料ノズル手段（請求項５）を複数備え、ボイラ装置の負荷や容量の増減に従って燃料噴出量を増減することとしてもよい。
【００１２】
前記燃焼用空気供給手段は、前記燃料ノズル近傍に配設され燃焼用空気を噴出して、前記火炎近傍に還元性雰囲気を形成する第１の燃焼用空気ノズルを有してもよく（請求項６）、前記燃焼用空気供給手段は、第１の燃焼用空気ノズルの前記火炎後流側に配設され燃焼用空気を噴出して、未燃焼の燃料を燃焼させる第２の燃焼用空気ノズルを有してもよい（請求項７）。
【００１３】
なお、ここで「燃料ノズル近傍」とは、燃料ノズルから噴出された燃料と第１の燃焼用空気ノズルから噴出される燃焼用空気により生成される燃焼火炎の周囲に還元性雰囲気を形成しうる範囲に燃料ノズルと第１の燃焼用空気ノズルが配設されていることをいい、燃料ノズルと第１の燃焼用空気ノズルとの各中心が、離間して設置されていてもよく、同軸上に各中心が配設されていてもよい。
【００１４】
互いに対向する火炉の各壁面に、前記燃料ノズル手段及び燃焼用空気供給手段をそれぞれ配置し、各壁面の燃料ノズル及び燃焼用空気ノズルが互いに対向するように配置してもよく（請求項８）、前記燃料ノズル手段及び燃焼用空気供給手段は、前記火炉内の水平な仮想円の接線方向に、前記燃料及び燃焼用空気をそれぞれ噴出できるように配置して、前記火炉内に旋回流を発生させつつ前記固体燃料を燃焼させるようにしてもよい（請求項９）。
【００１５】
本発明には種々の燃料が適用可能であり、汚泥、バイオマス等でもよく、燃料が微粉炭である場合には、前記燃焼用空気を８００℃以上に加熱することが望ましい（請求項１０）。
熱交換手段は、多管式熱交換器であってもよく（請求項１１）、蓄熱式熱交換器であってもよい（請求項１２）。
【００１６】
必要に応じて、前記火炉からの燃焼排気ガスを搬送ガスとし、該搬送ガスにより固体燃料を燃料ノズルに搬送することとしてもよく（請求項１３）、それに加えて、石炭を微粉炭に粉砕するミル装置を備え、前記火炉からの燃焼排気ガスを雰囲気ガスとし、当該燃焼排気ガスをミル装置に供給して微粉炭を製造することとしてもよく（請求項１４）、火炉からの燃焼排気ガス中の灰儘を除去する集塵手段を備えていてもてもよい（請求項１５）。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１の発明の特徴は、燃料の着火温度（種々の微粉炭燃料では、８００℃以上）以上の高温燃焼用空気を、作動範囲の広い範囲（好ましくは全域）にわたって確保することにある。このため、熱交換手段により上記高温燃焼用空気を得るために、燃焼排気ガスの排出位置を、水管により水蒸気を発生させた直後の、高温の燃焼排気ガス全量を熱源として利用できる位置に設け、燃焼排気ガス温度を、従来とは異なり、高目（例えば９００℃程度）に設定する。高温に加熱された燃焼用空気が、燃焼用空気供給手段により燃焼領域に噴出されて、噴出された空気の一部と燃料とから生成される火炎の近傍に高温の還元性雰囲気が形成される。斯して、燃料ノズルから噴出される燃料（例えば微粉炭）は、高温に晒され、熱分解（揮発）による燃焼ガスが早期に発生し、しかも火炎が還元性雰囲気によって取り囲まれているので熱分解した燃焼ガスは窒素成分の酸化によるフュ−エルＮＯの発生を抑制しつつ燃焼してＮＯｘの発生が抑制される。
【００１８】
しかも、燃焼領域に供給される燃焼用空気は、着火点以上に加熱されているので、燃料が低揮発性のものであっても揮発が促進され着火性が向上して安定な燃焼が可能になる。さらに、着火性が安定するので、低負荷運転時を含めて消炎することがない。
また、燃焼用空気の供給量を適宜に調節して、火炎近傍の雰囲気を常に高温の還元性雰囲気に保持することができるので、低負荷運転から高負荷運転までの広い作動領域で上記安定燃焼が可能である。このため、燃料中に含まれる窒素成分の早期酸化によるフューエルＮＯｘの発生が抑止され、ボイラ装置から排出されるＮＯｘ発生量を低減することができる。従って脱消装置や排風器動力に消耗されるエネルギーを減少させることができエネルギー効率が向上する。
【００１９】
着火温度以上に加熱した燃焼用空気で燃料を燃焼させるので高温の燃焼ガスが生成され、燃焼火炎の高温化により火炎からの輻射伝熱量が増加し、効率的に高温水蒸気を確保できるとともにボイラ上部の輻射伝熱面を小型化することができ、水蒸気を発生させた後の燃焼排気ガスを高温に維持できる。
また、一旦、高温の燃焼排気ガスに伴なわれて火炉から放出された熱量も高温の燃焼用空気として火炉内に戻されるのでエネルギー効率が向上する。加えて、前述のように低負荷運転時においても燃焼が安定しているので、従来技術とは異なり、低負荷運転時においても、同じ量の微粉炭を燃焼させるための燃焼用空気の供給量を、定格運転時に比較して増加させる必要がなく、したがって該燃焼用空気を送風するための排風器動力の増加や燃焼排気ガスに同伴されて大気中に放出される熱エネルギーの増加もないので、この点からも総合的なエネルギー効率を向上させることができる。
【００２０】
さらに、高温の燃焼排気ガスをそのまま火炉から排出するので、従来型のボイラ装置で行っていた火炉を含むボイラ本体内での燃焼排気ガスからの徹底的な熱回収が必要でなくなり、それを目的とするエコノマイザその他の装置を削除してボイラ装置全体をコンパクト化することができる。さらに高温燃焼用空気の供給により燃焼反応の速度そのものが増加し、短い時間で完全燃焼するこので、火炉内における微粉炭の滞留時間を減少させることができる。このため、火炉をさらにコンパクトなものとすることができる。
【００２１】
これらに加えて、高温の燃焼用空気による加熱効果により、多量の水分を含む汚泥やバイオマス燃料も火炉内において瞬時に乾燥・揮発させ、燃焼させることが可能である。
請求項２の発明によっては、好ましくは、燃焼排気ガス中の粉塵を除去して熱交換手段に供給する脱塵手段を備えることにより、燃焼排気ガス中に含まれる粉塵により熱交換手段が閉塞して使用できなくなることを防止でき、装置の連続稼動時間を延長させることができるという別の目的を達成することができる。
【００２２】
請求項３、請求項４及び請求項５の発明によっては、設計するボイラ装置の定格容量に応じ、適宜、熱交換手段、燃焼用空気供給手段或は燃料ノズル手段を複数備えることができ、ボイラ装置の負荷に従って燃焼用空気量或は燃料噴出量を増減することとしたので、運転負荷が変動しても、運転する燃料ノズル手段等の基数を適宜増減して対応することができ、燃焼領域への高温燃焼用空気の供給を可能にして安定燃焼や低ＮＯｘを実現することができる。
【００２３】
また、本発明によれば、燃料ノズル手段等の燃焼能力等の設計を同一としたままで、その基数を増減することにより様々の容量の火炉を更に容易に構築することができるので、小型から大型火炉まで、容量の異なる種々の火炉について、統一した技術的思想を適用して更に容易に設計できる。
請求項６の発明によっては、燃焼用空気供給手段の第１の燃焼用空気ノズルを、燃料ノズル近傍に配設し、火炎近傍に還元性雰囲気を形成させる構成としたので、燃焼ノズル近傍の着火点を容易に還元性雰囲気にすることができ、ＮＯｘ低減化が可能となる。
【００２４】
請求項７の発明によっては、燃焼用空気供給手段の第２の燃焼用空気ノズルを、第１の燃焼用空気ノズルの火炎後流側に配設させたので、燃焼の後段側に高温の燃焼用空気を供給して、残留する未燃焼燃料を高温雰囲気下で効率的に燃焼させることができる。なお、微粉炭に含まれる窒素成分は、還元性雰囲気の燃焼前段において安定化されるので、後段燃焼においてフュ−エルＮＯを発生させることはない。
【００２５】
本発明によれば、互いに対向する火炉の各壁面に、燃料ノズル手段及び燃焼用空気供給手段をそれぞれ配置して、各壁面の燃料ノズル及び燃焼用空気ノズルが互いに対向するするよう配置して、火炉の軸心近傍に安定な燃焼領域を形成させることもできるし（請求項８）、燃料ノズル手段及び燃焼用空気供給手段は、火炉内の水平な仮想円の接線方向に、燃料及び燃焼用空気をそれぞれ噴出させ、火炉内に旋回流を発生させつつ燃料を燃焼させる配置として、ボイラ中心部に安定な燃焼域を形成させ、燃焼の安定性を向上させることもできる（請求項９）。
【００２６】
本発明装置には、種々の燃料が適用可能であり、前述したとおり、汚泥、バイオマス等でもよいが、請求項１０の発明のように、燃料として微粉炭を採用した場合には、好ましくは、燃焼用空気を８００℃以上に加熱することで安定な燃焼が確保できる。
請求項１１、１２の発明によっては、前記熱交換手段として多管式熱交換器、或いは、蓄熱式熱交換器が使用され、高温の燃焼排気ガスを熱源として燃焼用空気を燃料の着火温度以上の高温に加熱することができる。
【００２７】
請求項１３の発明によれば、好ましくは、火炉からの燃焼排気ガスを搬送ガスとし、該搬送ガスにより固体燃料を燃料ノズルに搬送することとしたので、燃料の搬送に使用して燃料とともに火炉内の燃焼領域に噴出させる空気の酸素濃度が低下し着火点近傍における酸素不足による還元性雰囲気をさらに容易に実現することができる。通常、搬送用空気中の酸素濃度を低下させ、着火点近傍の酸素濃度を下げると燃焼が不安定になるが、高温燃焼用空気の存在により着火点近傍の温度が高温となっているので、燃焼の安定性が維持できる。搬送用空気中の酸素濃度低下による別の効果として、微粉炭が予期しない場所で燃焼することを抑止し、またそのような燃焼を防止するための温度制御等の条件を緩和することができる。
【００２８】
請求項１４の発明は、請求項１３の発明に加えて、石炭を微粉炭に粉砕するミル装置を備え、火炉からの燃焼排気ガスを雰囲気ガスとし、当該燃焼排気ガスをミル装置に供給して微粉炭を製造することとしたので、酸素濃度の高い通常の空気雰囲気下ではなく、酸素濃度の低下した燃焼排気ガス雰囲気下において微粉炭の製造を行うことになる。このため、微粉炭が予期しない場所で燃焼することを抑止し、またそのような燃焼を防止するための温度制御等の条件を緩和することができる。
【００２９】
さらに、火炉からの燃焼排気ガス中の灰儘を除去する集塵手段を備えることとしたので、灰燼により、ミル装置等において閉塞が生じることを防止することができる（請求項１５）。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下に、本発明に係るボイラ装置の実施の形態を種々の実施例により説明する。
先ず、本発明の第１の実施例であるボイラ装置１０を図面１を参照して説明する。
図１に示すように、本発明に係るボイラ装置１０は、下部の燃焼領域１１ｃに微粉炭燃料を噴出させて燃焼させ、上部に配設した水管１２により高温の水蒸気を発生させる火炉１１と、水蒸気を発生させた後、火炉１１から排出される高温の燃焼排気ガスＥＧを熱源として、燃焼用空気Ａ２を、例えば、８００℃以上の温度に加熱する多管式熱交換器（熱交換手段：シェルアンドチューブ型熱交換器）２１と、熱交換器２１の燃焼用空気出口２１ｂに配管を介して接続し、加熱された燃焼用空気Ａ２を火炉１１内に噴出させる燃焼用空気ノズル３１と該燃焼用空気ノズル３１に燃焼用空気Ａ２を圧送するための給気ブロワ３２、微粉炭を火炉１１内に噴出させ、燃焼させる燃料ノズル４１（燃料ノズル手段）等を備えている。
【００３１】
なお、図１は、本発明のボイラ装置のシステム構成の概略を説明することが目的であるので、ボイラの構成を簡略化して模式的に示している。例えば、（１）水管は、実際には、火炉上部だけではなく火炉側壁にも多数配置するようにしてもよく、（２）水管近傍に過熱器、再熱器が配設されているものでもよい。しかし、これらは本発明装置の説明においては本質的ではないため、火炉側壁等の水管については説明を省略し、本明細書中において「水管」とは、一般にいう水管の他、過熱器、再熱器まで含むものとして説明する。
【００３２】
しかしながら、本発明の「水管」は、燃焼領域を臨む位置に配設され、主として輻射により火炎から水管に熱伝達される。言い換えれば本発明の水管は、輻射熱伝達領域に配設されるものであり、従来のボイラにおいて、対流熱伝達領域に配設され、燃焼排気ガスの熱エネルギーを十分に回収するために必要であったエコノマイザは、本ボイラ装置１０においては、不要である。本発明では、エコノマイザ等による熱回収を行わず、熱交換器２１により熱回収を行う。
【００３３】
火炉１１は、上下に長い箱型構造物であり、底部１１ｂは上方に開いた四角錘形状をなし、その最低部には図示しない微粉炭焼却灰の回収装置を備える。上部には水蒸気を発生させ、発生した水蒸気を更に高温に加熱するための前述の水管１２を備える。また火炉１１の胴部１１ａの下端近傍に燃料ノズル４１と燃焼用空気ノズル３１とが開口して、それぞれ微粉炭及び燃焼用空気を火炉１１内の燃焼領域１１ｃに噴出させ、微粉炭を燃焼させることができる構造となっている。
【００３４】
火炉１１の上部かつ燃焼排気ガスの流れに沿って水管の後流側には、燃焼排気ガスＥＧの全量を火炉１１から排出するための排気管１３の一端が配設され他端はサイクロン（脱塵手段）１４に接続し、サイクロン１４の排気側配管は熱交換器２１の燃焼排気ガス入口２１ｃに接続している。
熱交換器２１は、サイクロン１４を通過して熱交換器２１に流入する燃焼排気ガスＥＧと、給気ブロワ３２から燃焼用空気入口２１ａを介して送風される低温の燃焼用空気Ａ２とを伝熱面を隔てて互いに反対向きに流し、その際に、燃焼排気ガスＥＧを熱源として燃焼用空気Ａ２を、例えば、８００℃まで加熱する機能を有する。熱交換器２１の燃焼排気ガス排出口２１ｄは排気ブロワ２２及び図示しない脱硝装置等の燃焼排気ガス処理装置を介して排気筒（図示せず）に接続している。熱交換器２１については、８００〜９００℃の高温の燃焼排気ガスに接触する部分があることを考慮した材料の選定が必要であり、かかる部分については、例えば、耐熱合金が好適に使用できる。
【００３５】
熱交換器２１の燃焼用空気排出口２１ｂは、配管を介して燃焼用空気ノズル３１の一端に接続し、燃焼用空気ノズル３１の他端は、前述のように火炉１１内に開口し、加熱された燃焼用空気Ａ２を適宜方向に適宜強さの旋回を与えて、火炉１１内に噴出する機能を有する。燃焼用空気ノズル３１には、内部を流れる燃焼用空気Ａ２の温度を測定する、例えば熱電対等の温度センサ３１ａを備える。燃焼用空気ノズル３１は、燃焼用空気を火炉１１内の燃焼領域１１ｃの所望の位置に噴出できる様々の形式が使用できる。なお、この燃焼用空気ノズル３１と給気ブロワ３２等が燃焼用空気供給手段を構成する。
【００３６】
燃料ノズル４１は、一端が火炉１１に接続して微粉炭を火炉１１内に噴出する機能を有するとともに、他端は配管を介してミル４２に接続している。ミル４２は、石炭Ｃを粉砕して微粉炭にするとともに、搬送用空気ブロワ４３を介して供給される搬送用空気Ａ１により該微粉炭を燃料ノズル４１に搬送供給する機能を有する。なお、燃料ノズル４１の形状、大きさ、材質、噴出方向、旋回強さ、燃料濃淡分布等については特に制限はないが、微粉炭を火炉１１内の燃焼領域１１ｃの所望の位置に閉塞なく噴出させることができる様々の形式のものが適用できる。但し、ノズル先端部に微粉炭に着火するための着火機構（図示せず）を有することはいうまでもなく、スラッギング防止装置等適宜必要装置を付加することができる。
【００３７】
また、燃焼用空気ノズル３１と燃料ノズル４１との位置関係については様々の態様のものが適用でき、本実施例においては燃焼用空気ノズル３１中心と燃料ノズル４１中心とが離間して設置されていることとしたが、燃焼用空気ノズル３１から供給される燃焼用空気と、燃料ノズル４１から供給される燃料により火炎Ｆ近傍に還元性雰囲気を形成できる配置であれば、それらの中心を同軸上に設置し（同軸ノズル）、設置面積の低減化を図ってもよい。
【００３８】
ボイラ装置１０は、火炉１１に供給される微粉炭の炭種（揮発性）、及び運転負荷状態が変化しても、燃焼用空気Ａ２が必要空気温度以上となるように空気温度を調整する制御装置４５を備える。制御装置４５は、少なくとも給気ブロワ３２、排気ブロワ２２、搬送用空気ブロワ４３、ミル４２及び温度センサ３１ａ等から空気流量、空気温度、給炭量等のデータを得ると同時にこれらの運転状態を制御する機能を備える。より詳しくは、制御装置４５は別途入力される、微粉炭の揮発性等の燃料性状、及び運転負荷に関する運転指令情報を演算処理して燃焼用空気ノズル３１から供給される燃焼用空気Ａ２の温度（炭種に応じた着火温度以上の温度、例えば８５０℃）を設定し、温度センサ３１ａの燃焼用空気温度データと上記設定温度との差を検出してその差を０とするように給気ブロワ３２及び排気ブロワ２２の吐出圧力、流量等を設定、制御する機能を備える。また、運転指令情報、運転状態情報に基づき搬送用空気ブロワ４３の吐出圧力、流量等或いはミル４２において粉砕処理する石炭量等を設定、制御する機能も併せて備える。
【００３９】
次に、上記ボイラ装置１０の作用について説明する。
まず、ミル４２において石炭Ｃを所望の平均粒径に粉砕し微粉炭を製造するとともに搬送用空気Ａ１により所要量の微粉炭を搬送して、燃料ノズル４１から燃焼領域１１ｃの高温還元雰囲気内に噴出させ、着火して火炎Ｆを形成して燃焼させる。このとき、燃焼用空気ノズル３１から、微粉炭供給量によって定まる所定量の高温の燃焼用空気Ａ２が供給される。このとき供給される燃焼用空気量を適宜調整し、また、燃焼用空気Ａ２は火炎Ｆを包み込むように火炎Ｆの周囲を流れるので、火炎Ｆの着火点Ｆ１近傍に多量の空気が供給されることはなく、着火点Ｆ１近傍では酸素が不足して還元性雰囲気が維持され、フューエルＮＯｘの発生が抑制される。一方、燃焼用空気温度が高く、それに加えて、後述の後段燃焼の輻射熱による加熱効果により着火点Ｆ１近傍の高温雰囲気も維持されるので、微粉炭燃料が、例え低揮発性の炭種であったとしても微粉炭から燃焼性ガスが十分に揮発して着火性が保たれ、消炎することなく安定な燃焼が継続する。さらに、火炎Ｆ周囲には燃焼用空気が充満しているので未燃焼の燃料がいわゆる後段燃焼を生じて完全に燃焼する。
【００４０】
これらに加えて、微粉炭を搬送する搬送用空気Ａ１の量も必要に応じて調整することにより着火点Ｆ１近傍に最適な還元性雰囲気を達成することができる。
上記の微粉炭の燃焼火炎Ｆからの熱輻射により水管１２内に所望性状の水蒸気を発生させる。このとき、高温空気燃焼により火炎Ｆ自体の温度が上昇しているので、従来型ボイラに比較すれば輻射熱として水管１２に伝わる熱量が多くなっており高温の水蒸気を効率的に生成することができる。また、高温空気燃焼により、例えば、１３００℃以上の高温の燃焼排気ガスＥＧが発生するが、該燃焼排気ガスＥＧは、火炉１１内を上昇し、水管１２に接触して水管１２内の水又は水蒸気に熱量を与える。その際、燃焼排気ガスＥＧ自身の温度は、〜９００℃前後まで低下して、火炉１１上部から排出される。ここで、火炉から排出される燃焼排気ガスＥＧ温度は、燃焼用空気を燃料の着火温度以上の温度に加熱するため、燃料の着火温度よりさらに高い温度に維持して排出させる必要があり、例えば、燃料の着火温度が〜８００℃である場合に、排出する燃焼排気ガスＥＧ温度は〜９００℃にする。排出された燃焼排気ガスＥＧは、サイクロン１４において粉塵等を除去される。さらに、燃焼排気ガスＥＧは、熱交換器２１に流入して給気ブロワ３２から供給された低温の燃焼用空気Ａ２を、例えば、８００℃以上に加熱する。この熱交換により冷却された燃焼排気ガスＥＧは、排気ブロワ２２、脱硝装置等の燃焼排気ガス処理装置及び排気筒（図示せず）を経て大気中へ放出される。
【００４１】
一方、加熱された燃焼用空気Ａ２は、燃焼用空気ノズル３１から火炉１１内に噴出され、前述のように火炎Ｆ近傍の雰囲気を高温の還元性雰囲気に維持しつつ微粉炭を燃焼させる。
なお、従来技術によっては、低負荷運転時には、全出力運転時に同じ量の微粉炭を燃焼させる場合に比較して最大では１〜２割近く燃焼用空気を増加させる必要があった。本発明にかかるボイラ装置１０によれば、そのような燃焼用空気の増加は殆ど必要がなくなり、低ＮＯｘ化とエネルギー効率の向上が図れる。
【００４２】
また、前述のように、従来のボイラにおいて燃焼排気ガスの熱エネルギーを十分に回収するために必要であったエコノマイザ、その他の装置とその収容スペースは、本ボイラ装置１０においては、不要であり削除されている。また、高温空気燃焼のため燃焼反応が短時間で終了し、そのために火炉１１内における微粉炭の必要な滞留時間が減少し、その間に燃焼排気ガスの流れに沿って微粉炭が移動する距離も減少するので、それだけ火炉部１１容積を減少できる。さらに燃焼火炎Ｆの温度が高温になっているので輻射伝熱の効率があがるので、水管１２の小型化が可能でありそれを収容する火炉１１上部のコンパクト化が可能になる。これら３つの効果により、従来のボイラ装置に比較して火炉１１がコンパクトなものとなっている。
【００４３】
以上本発明にかかる第１の実施例のボイラ装置１０の実施例の説明を終了するが、第１の実施例には、様々の態様があることは言うまでもない。以下にかかる態様の例を説明する。
本実施例においては、燃焼排気ガス中の脱塵手段としてサイクロンを使用したが、その代替として、熱交換器２１に熱交換器２１内に付着した粉塵を除去するための粉塵除去手段、例えば、水蒸気や圧縮空気を付着部分に吹き付けて粉塵を吹き飛ばして除去するスートブロー、或いは、鋼球を落下させ、粉塵が付着した管路等を落下する鋼球で叩くようにして粉塵を除去する装置、或いは、熱交換器全体を振動させて粉塵を除去する装置等を設置することとしてもよい。或いはこれら粉塵除去手段と脱塵手段とを併用してもよい。
【００４４】
本実施例においては、熱交換器とそれに接続するサイクロンと燃焼用空気供給手段、及び燃料ノズルは１組としたが、ボイラ装置の定格容量に応じ、ひとつの火炉に、熱交換器、サイクロン、燃焼用空気供給手段及び燃料ノズルを複数設置し、運転負荷の増減により実際に運転する上記熱交換器、サイクロン、燃焼用空気供給手段及び燃料ノズルの数を増減させ、燃焼用空気量や燃焼する燃料量を増減させてもよい。運転負荷の変動に対し、各組の運転負荷を変化させることなく対応することができる。或は、同一設計の熱交換器、サイクロン、燃焼用空気供給手段及び燃料ノズルを増減することにより、小型から大型火炉まで、容量の異なる種々の火炉を、統一した技術的思想を適用して容易に設計できる。なお、この場合、熱交換器、サイクロン、燃焼用空気供給手段及び燃料ノズルは、それぞれ例えば一つずつを組として組の数を増減してもよく、各機器を特に組として使用するのではなく個別に増減させてもよい。
【００４５】
図２に示すように燃焼用空気を上下２段に分けて火炉５１に供給してもよい。この場合には、下段側ノズル（第１の燃焼用空気ノズル）５２を燃料ノズル５４近傍に配置し、まず、該ノズル５２から供給される高温の燃焼用空気の量をやや少なくして強い還元性雰囲気を燃料ノズル５４近傍に形成させ、低ＮＯｘでの安定燃焼を達成し、さらに上段側ノズル（第２の燃焼用空気ノズル）５３から供給される高温の燃焼用空気により未燃焼の燃料を高温条件下において効率的に燃焼させることができる。
【００４６】
本実施例においては、燃焼用空気ノズル３１及び燃料ノズル４１は、それぞれ１個ずつ配設されているが、複数であってもよい。燃焼用空気ノズルと燃料ノズルの数が異なってもよく、複数のこれらノズルの配置についても水平面上に配置されても又は火炉の胴部に上下に配置されてもよい。例えば図３の火炉水平断面図に示すように、火炉６１の胴部の互いに対向する壁面に互いに対向するように燃料ノズル６２、燃焼用空気ノズル６３をそれぞれ複数(図３では４個ずつ)設置してもよく、またこれらのノズルは火炉胴部に上下に複数段配置してもよい。
【００４７】
図４に示すように複数（図４では４個ずつ）の燃料ノズル６４と、燃焼用空気ノズル６５とを、それぞれの噴出方向を水平かつ火炉６６の水平断面上の仮想円６７の接線方向を指向するように配置し、噴出した微粉炭と燃焼用空気が旋回流を形成するように配置してもよい。この旋回流にそって、仮想円６７上に火炎によるファイアボールが形成されるので、より安定な燃焼を継続させることができる。
【００４８】
本実施例においては熱交換手段として多管式熱交換器（シェルアンドチューブ型）を使用したが、その代替として回転型蓄熱式熱交換器或いは交番型蓄熱式交換器を使用してもよい。８００〜９００℃という高温条件における熱交換の場合、多管円筒型熱交換器においては、かかる高温に耐える耐熱合金でかつ熱伝導特性に優れた材料を選択する必要があり、高価な材料を使用する必要があるが、蓄熱式熱交換器の場合には、熱交換に安価なセラミックス製等の蓄熱材を使用するので安価な熱交換手段が提供できる。また、回転型蓄熱式熱交換器を使用する場合には多管円筒型熱交換器を単純に回転型蓄熱式熱交換器に代替することで同様の効果がえられる。一方、交番型蓄熱式熱交換器を使用する場合には、例えば、図５に示すように２つの交番型蓄熱式熱交換器７１、７２と２つの４方弁７３、７４とから構成され、熱交換器７１、７２のそれぞれの一端を４方弁７３に、それぞれの他端を４方弁７４に接続する熱交換システムが使用できる。ここで、４方弁７３の他の２端は、燃焼用空気ノズル及びサイクロンの燃焼排気ガス出口に接続し、４方弁７４の他の２端は燃焼排気ガスの排気ブロワ及び燃焼用空気の給気ブロワに接続し、それぞれが熱交換器７１，７２に切り替えて接続できる。図５の状態では、燃焼用空気の給気ブロワー熱交換器７１―燃焼用空気ノズルが接続し、他方、サイクロン出口―熱交換器７２―燃焼排気ガスの排気ブロワとが接続している。なお、４方弁７３は特に高温に耐える構造とする。作用を説明すると、燃焼用空気の給気ブロワから熱交換器７１に燃焼用空気が送風され、熱交換器７１内の加熱された蓄熱材により該空気が所定の温度まで加熱され、燃焼用空気ノズルに送風され、火炉内に噴出される。一方サイクロンを出た高温の燃焼排気ガスは、熱交換器７２に流入し、熱交換器７２内の蓄熱材を加熱し、自らは冷却されて排気ブロワから燃焼排気ガス処理装置へ送られる。一定時間の運転により、熱交換器７１内の蓄熱材が熱を失い、一方、熱交換器７２内の蓄熱材が十分に加熱されたところで４方弁７３，７４を切り替え、燃焼用空気の給気ブロワー熱交換器７２―燃焼用空気ノズルと、サイクロン出口―熱交換器７１―燃焼排気ガスの排気ブロワをそれぞれ接続して同様の運転を行う。この繰り返しにより、燃焼排気ガスを熱源とする燃焼用空気の加熱を行うことができる。
【００４９】
本実施例においては、燃料は固体燃料である微粉炭としたが、例えば、細かく砕いた木材チップなどのバイオマス燃料を用いてもよい。さらに多量の水分を含む汚泥等も搬送用空気による搬送の代わりにポンプにより火炉内に噴出させ、高温の燃焼用空気により水分を蒸発させ、乾燥した汚泥をさらに加熱して汚泥に含まれる可燃性成分を揮発させて燃焼することとしてもよい。従来技術によっては、例えば含水率６０％程度以上の汚泥を燃焼させる場合には、予め汚泥を予熱して乾燥させておくか、オイル混焼等の手段を講ずる必要があったが、本発明によってはそのような必要はなく、より含水率の高い、例えば８０％程度の汚泥を燃焼(専焼)させることが可能である。
【００５０】
次に本発明に係る第２の実施例にかかるボイラ装置８０を図６を参照して説明する。
第１実施例においては、微粉炭の搬送ガスとして搬送用空気Ａ１を使用することとしたが、本ボイラ装置８０は、熱交換器８２において高温燃焼用空気を加熱して自らの温度が低下した後の燃焼排気ガスＥＧを搬送用ガス及びミル（ミル装置）８５における微粉炭製造時の雰囲気ガスとして使用する。
【００５１】
より詳しくは、図６に示すように、本ボイラ装置８０は、第１実施例において説明したボイラ装置１０の機器等に加え、又はそれに代えて、熱交換器８２の後流側に接続された集塵器（集塵手段）８３と、該集塵器８３において除塵された燃焼排気ガスＥＧを抽気して、ミル８５に圧送し、ミル８５において微粉炭を混合させて燃料ノズル８７から火炉８１に噴出させるための搬送空気ブロワ８４と、搬送空気ブロワ８４をも制御する制御装置８６等を備える。
【００５２】
上記以外のシステム構成、各設備の機能、形状、配置及び作用効果については第1実施例と同様であるので説明を省略する。
本ボイラ装置８０の作用を以下に説明する。
すなわち、燃焼排気ガスＥＧの一部を集塵器８３の出口から抽気して搬送用空気Ａ１の代替及び微粉炭製造時の雰囲気ガスとしてミル８５に搬送空気ブロワ８４により供給する。燃焼排気ガスＥＧは、酸素濃度が低下しているので、微粉炭製造時に予期しない微粉炭燃焼を生じる虞が少なく、該予期しない微粉炭燃焼を防止するための温度制御等の条件を緩和することができ、また火炎の着火点近傍の酸素不足による還元性雰囲気を維持するのに好適に使用できる。このとき、火炎の着火点近傍の温度が、高温燃焼用空気の存在により高温に維持されていることから、搬送ガス中の酸素濃度が減少しても安定な燃焼が維持されることは言うまでもない。
【００５３】
なお、本実施例においては、微粉炭搬送に使用するガス中には塵埃がふくまれないことが望ましいことから、燃焼排気ガスを集塵器８３出口において抽気することとしたが、集塵器８３以降であれば、例えば、図示しない排気筒等、燃焼排気ガス処理装置のいずれの点から抽気してもよい。
なお、ここで説明した実施形態は一つの例であって、本発明はこれのみに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲において変更を加えうることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明にかかる第１の実施例のボイラ装置のシステム図である。
【図２】本発明にかかる別の実施例の２段燃焼用の燃焼用空気ノズルの例を示すシステム図である。
【図３】本発明にかかるさらに別の実施例の燃焼用空気ノズル、燃料ノズルの配置例を示す火炉の概略水平断面図である。
【図４】本発明にかかるさらにまた別の実施例の燃焼用空気ノズル、燃料ノズルの配置例を示す火炉の概略水平断面図である。
【図５】本発明にかかるさらにまた別の実施例として一対の交番型蓄熱式熱交換器を使用した場合のシステム図である。
【図６】本発明に係る第２の実施例のボイラ装置のシステム図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０、８０  ボイラ装置
１１、５１、６１、６６  火炉
１１ｃ燃焼領域
１２  水管
１３  排気管
１４  サイクロン
２１、８２  熱交換器
２２  排気ブロワ
３１、６３、６５  燃焼用空気ノズル
３２  給気ブロワ
４１、５４、６２、６４、８７  燃料ノズル
４２、８５  ミル
４３、８４  搬送用空気ブロワ
５２  下段側ノズル
５３  上段側ノズル
６７  仮想円
８３  集塵器
【図１】
2005265297.tif 000003
【図２】
2005265297.tif 000004
【図３】
2005265297.tif 000005
【図４】
2005265297.tif 000006
【図５】
2005265297.tif 000007
【図６】
2005265297.tif 000008